体积比对分段进水改良A2／O工艺脱氮除磷性能的影响

王振国，何争光，彭赵旭，焦耀亮

（郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001）

体积比对分段进水改良A2／O工艺脱氮除磷性能的影响

王振国，何争光，彭赵旭，焦耀亮

（郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001）

为了探究体积比对脱氮除磷性能的影响，采用分段进水改良厌氧－缺氧－好氧（A2／O）工艺处理高氨氮低碳氮比的生活污水。在污泥回流比为70%，水力停留时间（HRT）为10 h条件下，考察了体积比（V预缺氧∶V厌氧∶V缺氧∶V好氧）对系统去除有机物、硝化效果、反硝化效果、总氮（TN）和总磷（TP）的影响。试验结果表明：不同体积比对系统有机物的去除和硝化效率影响不显著，出水化学需氧量（COD）和氨氮浓度分别在50 mg／L、5 mg／L以下；系统TN和TP去除受体积比影响较大，体积比为18∶18∶36∶72时，缺氧体积所占比例较大，反硝化细菌获得充足反应时间，反硝化效果最好，TN去除率平均达83.24%；体积比为12∶24∶24∶84时，厌氧体积的增加，为聚磷菌厌氧释磷提供有利条件，TP去除效果最佳，平均去除率达93.63%。

体积比；改良A2／O；高氨氮污水；分段进水

0 引言

目前，中国大部分的污水处理厂不能达到一级A排放标准［1］，这是因为传统活性污泥工艺所固有弊端［2］，如碳源、硝酸盐、泥龄等矛盾。文献［3］研究表明：对于低C／N生活污水的处理，碳源是反硝化脱氮和厌氧释磷的限制性因子，碳源不仅是异养微生物的营养物质，还是反硝化脱氮的电子供体，同时也是聚磷菌在厌氧段有效释磷的必须物质，在进水碳源不足的情况下，只有提高碳源的利用率才能保证脱氮除磷的去除效果。分段进水工艺因具备很多优点，如节省内回流、原水碳源利用率高等［4－6］，越来越受关注。文献［7］利用改良开普敦（UCT）分段进水工艺处理低C／N生活污水，在流量分配比为4∶3∶3和缺氧／好氧体积比为1∶2条件下，原水碳源利用达62%以上，出水优于一级A排放标准。文献［8］利用改良厌氧－缺氧－好氧（A2／O）分段进水工艺处理低浓度、低C／N生活污水，在流量分配比为20%∶35%∶35%∶10%条件下，碳源利用率高达74%。目前，对于高氨氮、低C／N生活污水处理的研究比较少，本试验采用分段进水改良A2／O工艺处理高氨氮、低C／N生活污水，为将来污水处理厂的升级改造提供经验。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。本文是在传统A2／O工艺基础上，采用分段进水工艺，同时增加前置预缺氧反硝化段，取消硝化液的内回流，好氧段后增加两级缺氧－好氧（A／O）工艺。装置采用有机玻璃制成，总容积60.5 L，其中有效容积为51.8 L。反应器依次为预缺氧区A1／厌氧区A2、好氧区O1（体积固定）、缺氧区A3／好氧区O2和缺氧区A4／好氧区O 3；在缺氧区和厌氧区采用4台搅拌器，使泥水混合均匀；好氧区设置若干曝气头，空压机来曝气，流量计调节溶解度DO。采用5台蠕动泵控制进水和污泥回流；二沉池采用中进和周出竖流式，有效容积为18 L。

图1 分段进水改良A2／O工艺装置示意图

1.2 人工配水与接种污泥

使用人工配水模拟生活污水作为试验对象，其主要水质参数见表1。可溶性淀粉作为碳源，在自来水中加入NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4，并在水中投加NaHCO3作为碱度的缓冲剂，此外还在模拟污水中投加多种无机营养盐用以提供微生物生长所需的微量元素。接种污泥取自郑州市五龙口污水处理厂氧化沟的曝气段，接种前需要预曝气24 h，清除残杂物后，在反应器中培养驯化。

表1 进水水质参数

1.3 系统运行参数设置

相关水质分析方法参照国家环保局《水和废水监测分析方法》（第4版），具体的分析项目为：化学需氧量（COD、总氮（TN）、总磷（TP）、pH、溶解度DO等。

为了充分探究体积比（V预缺氧∶V厌氧∶V缺氧∶V好氧）对分段进水改良A2／O工艺处理高氨氮低碳氮比污水系统性能的影响，试验中设置12∶24∶24∶84、18∶18∶24∶84、18∶18∶36∶72和18∶18∶18∶90这4种不同的体积比，对4种体积比连续运行40 d来取样分析，分别考察了COD、－N、TN和TP这4个指标并进行对比分析。试验期间设置的运行参数如下：水力停留时间（HRT）为10 h，进水总流量是124 L／d，各级进水流量分配为1∶2∶2∶1，污泥回流比为70%。利用恒温加热器来控制反应温度，维持反应器中的平均温度为（20±1）℃，将好氧区的DO维持在2.0 mg／L左右，缺氧区DO维持在0.5 mg／L以下，厌氧区DO维持在0.2 mg／L以下。

2 结果与讨论

2．1 体积比对COD去除效果的影响分析

分段进水改良A2／O工艺对COD的去除如图2所示。由图2可见：体积比对COD的去除率影响不大，4种体积比下COD平均去除率分别为90.76%、92.16%、92.20%和92.25%。这表明通过改变体积比来提高COD去除率这种措施效果不大，主要是因为：在系统HRT不变条件下，体积比的变化只是单一地改变了有机物在各个区域的停留时间，导致各个缺氧区、好氧区和厌氧区对有机物的去除量发生了改变，而整个系统对于有机物的去除量相差不大；另外，体积比在12∶24∶24∶84情况下，COD的去除率要比在其他3种情况略低，这可能是因为回流污泥进入预缺氧段，使得其内污泥浓度在反应系统最高，微生物量最多。随着预缺氧／厌氧比值的加大，预缺氧段HRT变大，从而对有机物的去除更加充分。

2.2 体积比对氨氮去除效果的影响分析

分段进水改良A2／O工艺对－N的去除如图3所示。由图3可见：进－N平均去除率分别为96.25%、96.45%、95.93%和96.91%。虽然进水浓度不同，但是这4个工况下出水氨氮的平均浓度波动较小，且并不随着体积比的改变而显著变化。这可能是因为氨氮的去除主要是通过硝化菌在好氧区内的硝化反应来完成的，在体积比为18∶18∶36∶72即好氧区最小时，氨氮出水浓度为2.87 mg／L，说明系统中氨氮已大部分被硝化完全，此时的好氧体积HRT也能满足硝化菌对进水氨氮负荷的硝化容量，所以再增大好氧体积比虽然在一定程度上提高氨氮去除效果，但作用效果已很不明显。这与文献［9］采用改良A2／O分段进水工艺处理低浓度、低碳氮比生活污水结论是一致的。本试验结果表明：系统具有良好硝化效果，体积比对氨氮去除基本无影响。

图2 不同体积比下COD的去除情况

图3 不同体积比下氨氮的去除情况

2．3 体积比对TN去除效果的影响分析

图4 不同体积比下TN的去除情况

分段进水改良A2／O工艺对TN的去除如图4所示。由图4可见：出水平均TN浓度分别为18.07 mg／L、14.84 mg／L、11.89 mg／L和18.75 mg／L，TN平均去除率分别为74.28%、78.46%、83.24%和72.03%。

在体积比为18∶18∶24∶84和18∶18∶36∶72的工况下，TN去除率相对于体积比为12∶24∶24∶84和18∶18∶18∶90大幅提高，TN平均去除率从74.28%分别提升到78.46%和83.09%，又降低到72.03%。这可能是因为：体积比预缺氧／厌氧由12∶24增加到18∶18，预缺氧池体积增加，在预缺氧段内，一方面反硝化细菌利用进水中的有机碳源对回流污泥携带的硝态氮进行反硝化脱氮，预缺氧区体积的增加导致预缺氧的HRT随着变大，使得反硝化细菌有更多的时间进行反硝化脱氮；另一方面在碳源不足的情况下，部分反硝化除磷菌会以硝态氮作为电子受体，在脱氮的同时完成吸磷反应，预缺氧体积的增加强化了反硝化除磷的作用，两者综合作用导致TN去除效果提高。缺氧／好氧体积比由24∶84变为36∶72，文献［10］研究表明：在系统HRT不变的情况下，缺氧段体积变大，使得反硝化细菌获得更多时间利用进水碳源，进行反硝化脱氮，同时，缺氧段发生反硝化除磷也会进一步强化，TN去除效果明显提高。好氧体积增大，缺氧／好氧体积由36∶72变为18∶90，缺氧体积减小，TN平均去除率从83.24%降低到72.03%。

2．4 体积比对TP去除效果的影响分析

分段进水改良A2／O工艺对总磷的去除效果如图5所示。由图5可见：平均出水TP浓度分别是0.36 mg／L、0.61 mg／L、0.57 mg／L和0.53 mg／L，去除率分别是93.63%、88.73%、88.03%和89.49%。分析发现：随着预缺氧／厌氧比值的增大，系统对于磷的去除率明显下降。这可能是因为随着厌氧体积的减小，导致厌氧段HRT变小，在一定范围内，厌氧时间越长，聚磷菌的释磷量也就越大［11］。HRT的变短导致厌氧释磷量减少，厌氧释磷不充分，影响后续好氧段的吸磷过程，从而影响TP的去除率降低。另外，文献［10］研究表明：厌氧体积的减少不利于易降解基质的产生，限制了聚磷菌体内聚烃基烷酸（PHA）的合成量，从而影响后续吸磷的效果。试验过程还发现，随着缺氧／好氧体积比值的减少，TP的去除率略有提高。文献［12］研究表明：聚磷菌在好氧段O1内完成大部分对TP的去除。由试验装置可知：好氧段O1体积是固定的，仅通过A3、O2、A4和O3来实现缺氧／好氧体积比的调节，所以缺氧／好氧的减小在一定程度上可以提高TP去除效果，但不是很显著。综上可知：对于TP的去除，厌氧体积是关键因素之一。

3 结论

（1）对于分段进水改良A2／O工艺，体积比对有机物和NH＋4－N的去除效果影响不大，4种工况下系统对COD和NH＋4－N都有很高的去除率，分别都在85%和90%以上，且COD平均出水浓度均在50 mg／L以下，NH＋4－N平均出水浓度均在5 mg／L以下，说明系统对有机物的去除和氨氮的硝化具有良好的效果。TN和TP去除效果受体积比影响较大：体积比为18∶18∶36∶72时，TN平均去除率达到83.24%，平均出水浓度11.89 mg／L；体积比为12∶24∶24∶84时，TP平均去除率达到93.63%，出水浓度小于0.5 mg／L；随着预缺氧／厌氧体积比的增大，预缺氧池内反硝化获得足够的反应时间，TN去除效果提升，但厌氧体积的减小，导致聚磷菌释磷量的降低，TP去除效果明显降低。

（2）缺氧／好氧体积比的增加，一方面为反硝化提供充足反应时间，使得反硝化更加充分；另一方面使得有机物在好氧段停留时间减少，避免了有机物被异养好氧菌大量消耗，提高了原水碳源利用率；但好氧段体积的减小会削弱聚磷菌在好氧段的吸磷作用，从而影响TP的去除效果。

（3）系统的脱氮方式主要是传统反硝化脱氮为主，缺氧体积的加大有助于TN去除效果的提高；除磷主要是聚磷菌的厌氧释磷和好氧吸磷作用，缺氧段的反硝化除磷只占很小一部分，对于磷的去除，厌氧体积是关键因素之一。

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1672－6871（2015）05－0100－05